專利名稱：一種建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)能部署方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其針對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型建立和節(jié)能部署策略問(wèn)題。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們已經(jīng)不再滿足于人與人之間以及需要人參與交互的通信方式，一種更加智能、更加便捷的通信方式為人們所期待。物聯(lián)網(wǎng)一一種物體、機(jī)器間不需要人的參與即可完成信息交互的通信方式便應(yīng)運(yùn)而生。物聯(lián)網(wǎng)(Internetof Things)是一種將所有物件連在一起的智能網(wǎng)絡(luò),利用如射頻識(shí)別(Radio-FrequencyIDentif ication)、無(wú)線通信、實(shí)時(shí)定位、視頻處理和傳感技術(shù)與設(shè)備,使任何智能化物體透過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交流。以RFID (射頻識(shí)別)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、中間件技術(shù)等，構(gòu)成一個(gè)由大量的讀寫器和移動(dòng)標(biāo)簽組成的巨大網(wǎng)絡(luò)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。然而，在實(shí)際生活中，物聯(lián)網(wǎng)的感知節(jié)點(diǎn)大都部署在無(wú)人監(jiān)控的場(chǎng)景中，具有能力脆弱、資源受限等特點(diǎn)，經(jīng)常有新節(jié)點(diǎn)的加入或已有節(jié)點(diǎn)的失效，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化很快，網(wǎng)絡(luò)一旦形成，人很少干預(yù)其運(yùn)行。而且感知節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信帶寬有限，通常僅有幾百kbps的速率，電池容量一般不是很大，其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域決定了在使用過(guò)程中，不能給電池充電或更換電池，一旦電池能量用完，這個(gè)節(jié)點(diǎn)也就失去了作用。另外，近年來(lái)國(guó)家一直在倡導(dǎo)節(jié)能減排工作，因此在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，任何技術(shù)和協(xié)議的使用都要以節(jié)能為前提。目前，物聯(lián)網(wǎng)只是處于研究的初步階段，并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的架構(gòu)，更沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以遵循，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中節(jié)能問(wèn)題的相關(guān)研究也很少，但已有一些研究人員針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)中的節(jié)能問(wèn)題提出了相關(guān)的模型及方法。王新兵教授等人通過(guò)等效傳感半徑來(lái)研究傳感器節(jié)點(diǎn)呈一致分布和泊松分布的WSN (Wireless Sensor Network)中節(jié)點(diǎn)異質(zhì)性和移動(dòng)性對(duì)網(wǎng)絡(luò)在覆蓋性和能量消耗上的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性能夠減少感知耗能，異質(zhì)性反而增加了一維隨機(jī)移動(dòng)模型的能量消耗，對(duì)獨(dú)立同分布模型沒(méi)有影響；Konstantinos Oikonomou等人研究了鏈路權(quán)重隨著相鄰節(jié)點(diǎn)間的能量水平和鏈路負(fù)載的變化而變化，同時(shí)匯點(diǎn)根據(jù)一種可擴(kuò)展的匯點(diǎn)遷移策略可以在鄰居節(jié)點(diǎn)間移動(dòng)，該動(dòng)態(tài)匯點(diǎn)調(diào)度方式能夠減少網(wǎng)絡(luò)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間。Onur Soysal等人研究了 WSN中基于MAC (Medium Access Control)層節(jié)能的隨機(jī)路由機(jī)制,提出了一種可以調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)睡眠/喚醒機(jī)制的協(xié)議P0WERNAP，通過(guò)使接收器計(jì)算其睡眠/喚醒調(diào)度表來(lái)解決大量的復(fù)雜的調(diào)度信息給節(jié)點(diǎn)帶來(lái)的總開銷，從而節(jié)約了系統(tǒng)的總能耗。雖然以往關(guān)于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)能耗問(wèn)題的研究對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)行了優(yōu)化，但是大都只考慮單純的能耗約束或者網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間約束或者考慮二者結(jié)合的情況，然而系統(tǒng)的造價(jià)約束以及鏈路流量平衡約束也是物聯(lián)網(wǎng)中不可忽視的因素。同時(shí)，由于無(wú)線傳感網(wǎng)中電磁干擾、空氣濕度、溫度等因素對(duì)路由的傳輸半徑有很大的影響，動(dòng)態(tài)路由機(jī)制在戶外幾乎不能應(yīng)用，而且傳統(tǒng)的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中所有感知節(jié)點(diǎn)都可以感知數(shù)據(jù)以及相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，這樣就很容易造成離基站較近的感知節(jié)點(diǎn)承擔(dān)過(guò)重的負(fù)載，最終導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的問(wèn)題是:針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)性能脆弱的特性，提出一種分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，綜合研究了此架構(gòu)下節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)引起的能量消耗約束，鏈路流量平衡約束，鏈路最大傳輸速率約束，系統(tǒng)預(yù)算約束以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，解決了傳統(tǒng)的單純研究能耗問(wèn)題或者生存時(shí)間或者二者結(jié)合導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)整體性能不能達(dá)到最優(yōu)的問(wèn)題，并提出一種適用于物聯(lián)網(wǎng)的靜態(tài)路由優(yōu)化算法，解決了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中能量損耗過(guò)多的問(wèn)題，避免了電磁干擾、空氣濕度、溫度等因素造成動(dòng)態(tài)路由機(jī)制不能很好地適用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的方案是，一種建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)能部署方法，包括步驟，構(gòu)建一種分層的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型包括感知層、中繼層和匯聚層，根據(jù)各層節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中不同的任務(wù)，感知層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知并發(fā)送數(shù)據(jù)，將感知數(shù)據(jù)不直接傳給匯聚層，而是通過(guò)中繼層的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚層的基站，感知節(jié)點(diǎn)之間互相不傳送感知數(shù)據(jù)，通過(guò)這樣層層分工又相互協(xié)作的方式來(lái)達(dá)到優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)的目的。針對(duì)此分層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出一種優(yōu)化模型，該優(yōu)化模型綜合研究了能量消耗約束、鏈路流量平衡約束、系統(tǒng)預(yù)算約束以及網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。提出一種算法計(jì)算優(yōu)化模型中四種約束的值及其之間的影響，比較得出一種節(jié)能部署方式，其特征在于，首先給定感知節(jié)點(diǎn)、基站以及備選的中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量及位置，計(jì)算每一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)與備選中繼節(jié)點(diǎn)的距離，去掉與任何感知節(jié)點(diǎn)均不通信的備選中繼節(jié)點(diǎn)，其次從剩下的備選中繼節(jié)點(diǎn)中選出滿足條件“能夠全覆蓋感知節(jié)點(diǎn)且與
基站形成的拓?fù)涫沁B通圖”的i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)公式
權(quán)利要求
1.一種建立物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)能部署方法，其特征在于，構(gòu)建包括感知層、中繼層和匯聚層的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)模型，感知層節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)感知并發(fā)送數(shù)據(jù)，將感知數(shù)據(jù)通過(guò)中繼層的中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚層的基站，感知節(jié)點(diǎn)之間互相不傳送感知數(shù)據(jù)；計(jì)算每一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)與備選中繼節(jié)點(diǎn)的距離，去掉與感知節(jié)點(diǎn)均不通信的備選中繼節(jié)點(diǎn)，從剩下的備選中繼節(jié)點(diǎn)中選出滿足條件:“能夠全覆蓋感知節(jié)點(diǎn)且與基站形成的拓?fù)涫沁B通圖”的i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)，對(duì)其中的任一中繼節(jié)點(diǎn)，根據(jù)感知節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間能耗、中繼節(jié)點(diǎn)單位時(shí)間能耗、基站單位時(shí)間能耗，并將拓?fù)渲忻慷捂溌穬啥税l(fā)送節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能耗和接收節(jié)點(diǎn)的接收能耗之和等效為該段鏈路的權(quán)重，找出基站到每一個(gè)感知節(jié)點(diǎn)的最短路徑，將所有最短路徑的長(zhǎng)度相加作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芎?；?jì)算i個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的所有可能的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞哪芎?，按照最小能耗?duì)應(yīng)所選擇的中繼節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)及基站的數(shù)量和位置部署為滿足節(jié)能部署的物聯(lián)網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能部署方法，其特征在于，根據(jù)公式:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能部署方法，其特征在于，更進(jìn)一步地，中繼節(jié)點(diǎn)之間形成的鏈路滿足:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的節(jié)能部署方法，其特征在于，更進(jìn)一步地，中繼節(jié)點(diǎn)j的單位時(shí)間能耗滿足
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型建立和節(jié)能部署的方法，屬于物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)能耗優(yōu)化模型。本發(fā)明提出的節(jié)能部署方法首先根據(jù)感知節(jié)點(diǎn)與備選中繼節(jié)點(diǎn)的距離排除與任何感知節(jié)點(diǎn)均不能通信的備選中繼節(jié)點(diǎn)，然后在剩下的中繼節(jié)點(diǎn)中選出i個(gè)，如果它們滿足“全覆蓋感知節(jié)點(diǎn)且與基站形成的拓?fù)涫欠袷沁B通圖”，則將每段鏈路的發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送耗能與接收節(jié)點(diǎn)的接收耗能之和等價(jià)為該段鏈路的權(quán)重，通過(guò)改進(jìn)的Dijkstra方法得到能耗的最小值以及網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，將此能耗下對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方式作為一種最佳節(jié)能部署方式。
文檔編號(hào)H04W84/18GK103200616SQ20131007133
公開日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月6日
發(fā)明者劉宴兵, 孟雨, 黃 俊, 徐光俠, 肖云鵬 申請(qǐng)人:重慶郵電大學(xué)